基于C3000过程控制器的麦汁充氧控制系统设计
| 摘 要：麦汁充氧是啤酒工艺的一道重点工序，本文以燕京漓泉公司的麦汁充氧装置为例，介绍了如何利用浙江中控仪表公司的C3000过程控制器来构建控制系统，以实现可靠的麦汁充氧控制。 关键词：麦汁充氧；C3000；控制系统 Abstract: The wort oxygenation is one of important procedures in beer brewage technology. In this paper, a reliable method of constructing a C3000-based control system for beer wort oxygenation is presented and achieves success in the application in the plant of YANJING BEER（GUILIN LIQUAN）. Key words: wort oxygenation; C3000; control system 一、前言 一个完整的啤酒生产过程可分为麦汁制备、啤酒酿造和灌装三大过程，其中对产量和质量起着关键性作用的主要是麦汁制备和啤酒酿造两大过程。麦汁充氧工序正是啤酒酿造过程的关键所在。我们知道，发酵需要大量酵母的参与，酵母的繁殖需要充足的氧气。为了提高酵母活化程度，必须给酵母以空气形式提供足够的氧气，若耽误或延迟充氧，则不利于酵母的繁殖，降低发酵速度。麦汁充氧量的多少，既关系到酵母代谢，也影响啤酒的口味。因此如何精确控制麦汁充氧，是所有啤酒生产厂商必须考虑的问题。 目前，国内很多生产厂家的充氧设备没有采用自控装置，通常靠经验控制充氧的程度，这会造成发酵的不均一性，影响啤酒品质的稳定可靠；采用自动化设备实现麦汁充氧的自动精确控制，为生产提供了可靠的品质保证，这也成为发展的必然趋势。 二、装置介绍： 燕京啤酒（桂林漓泉）公司最早只有一条KHS公司提供的麦汁充氧及酵母添加装置，其中麦汁充氧部分包括测量空气流量的金属管浮子流量计（非远传型）以及可调节充氧量的手动针型阀，充氧量大小全部依靠操作人员手动控制。之后流量计被替换为带远传的金属管浮子流量计，增加了调节空气流量的调节阀以及设定充氧量比值的配比调节器。随着燕京漓泉的不断发展，后又增添了三套充氧装置。为了获得更好的充氧效果，燕京漓泉对现有充氧装置进行了整合改造：四套充氧装置管道独立但共用一台控制器来作为控制核心和人机界面，取代配比调节器，并将金属管浮子流量计替换为气体质量流量计。共用的这台核心控制器要求能同时实现四个回路的控制，并具有数据记录、显示和报警等功能，出于以上考虑最终选用了浙江中控仪表的C3000过程控制器，它完全能满足这些要求，另外其灵活多变的可编程序和信号补偿等功能更为其可靠应用提供保证。 三、系统设计思路 根据工艺要求，每HL麦汁需要充一定量的无菌空气，品种不同，每HL麦汁充氧量不完全一样。麦汁流速在不断地变化，为了保证充氧量与麦汁体积的比值恒定，则充氧量也要随之不断地变化。我们将测量麦汁流量的电磁流量计信号与测量空气流量的质量流量计信号同时接入C3000通道，通过组态成比值关系，与工艺设定比值进行比较，来进行PID调节，输出信号控制调节阀来调节无菌空气的流通量，最终使麦汁流量与无菌空气流量达到设定比值。四套充氧装置设计思路都如上所述，C3000具有多回路控制功能，所以四套充氧装置的信号线可全部接入C3000，由C3000来实现4套装置的集中控制、显示和数据记录，从而构成一个完整的麦汁充氧控制系统。 四、麦汁充氧控制系统的实现 1 、系统组成 整套系统构成组件包括调节空气流量的空气调节阀、测定空气流量的气体质量流量计、测定麦汁流量的电磁流量计、C3000过程控制器和双物喷头设备。其中的双物喷头结构与文丘里管相似，空气由收缩段的部位通过两侧管壁的细喷头喷入，形成小气泡，其作用是使进入的无菌空气与麦汁能充分混合。 2、输入输出信号确定 在设计燕京漓泉麦汁充氧控制系统中，我们使用C3000控制器控制四套麦汁充氧装置，总共采集了共8路测量用模拟信号，输出4路模拟信号用于控制阀门，还输出1个开关量用于报警。 ◆测量用模拟信号AI01～AI08，均为（4～20）mA 1～4通道为麦汁流量信号； 5～8通道为空气流量信号。 ◆控制用模拟信号AO01～AO04，均为（4～20）mA，对应0～100％的阀门开度 1～4通道为调节阀信号。 ◆报警用开关量DO01 无菌空气压力超低报警 3 、组态说明 因为四套装置结构功能类似，C3000对任意一套装置的组态也类似，在此只介绍其中一套装置为例。 明确了麦汁充氧装置的信号流，麦汁流量经过VA运算（虚拟通道运算）后作为无菌空气流量的设定值，实际无菌空气流量与该设定值的偏差经过PID模块运算后输出到调节阀调节实际无菌空气流量，最终把无菌空气流量调节到设定值；在组态中将VA运算设置为比例运算模式，使得经过VA运算得到的无菌控制流量设定值与麦汁流量成比例关系（比例系数在VA运算参数中可调），所以也就保证了最终调节的无菌空气流量与麦汁流量成一定比例，达到在每HL麦汁中准确充入指定数量的无菌空气的目的。 利用C3000过程控制器的VA通道表达式运算功能可以很方便的实现比值运算模式，以第一套麦汁充氧装置为例，AI01为麦汁流量，AI05为无菌空气的流量，模拟量虚拟通道VA01表达式组态为AI01＊CONF01，其中CONF01比值系数；再以VA01作为无菌空气PID回路的设定值，这样就可以实现AI05/AI01=CONF01的关系。 五、结束语 通过改造，将四条麦汁充氧线的控制部分整合成了基于C3000过程控制器的麦汁充氧控制单元，不仅使控制精度得到了大幅度提升，而且整个系统的可靠性也得到很大提高。系统运行当中，操作人员对新控制器抑制过程扰动的能力非常满意，表明了其优良的控制性能；同时，系统维护人员也非常认可C3000过程控制器的使用简便性，因为其不需要进行复杂的调整、整定参数，为日常维护检修带来极大便利。 整套麦汁充氧控制系统无论从操作、维护还是性价比上都得到了大幅度的提升，给企业在技术和经济上带来了竞争优势。 参考文献： [1]啤酒工艺实用技术 （德） 孔泽（Kunze, W.）著 湖北啤酒学校翻译组译 -北京:中国轻工业出版社，1998.9 [2]化工过程控制工程 王骥程 祝和云 著 北京 化学工业出版社，1991.5 [3]浙江中控自动化仪表有限公司C3000过程控制器用户使用手册 作者简介:叶腾芳 1969年生，男，电气工程师。联系电话：13807738503，0773-3815306（办公室） E-mail：YTFPLY@163.COM 燕京啤酒（桂林漓泉）股份有限公司 |
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